Demir metalurjisi - Ferrous metallurgy

Demir metalürji , metalürji arasında demir ve alaşım , başladı tarih öncesi . 4. binyıl erken kalan demir eserler, Mısır , gelen yapılmıştır meteoritik demir-nikel . Cevherlerden demir eritmenin ne zaman ve nerede başladığı bilinmiyor , ancak MÖ 2. binyılın sonunda demir, en azından Yunanistan'dan Hindistan'a ve Sahra Altı Afrika'ya kadar demir cevherlerinden üretiliyordu . Ferforje (işlenmiş demir) kullanımı MÖ 1. binyılda biliniyordu ve yaygınlığı Demir Çağı'nı tanımladı . Orta Çağ dönemde, Avrupa'da demirciler gelen dövme demir üretmeye yönelik bir yol bulmuş dökme demir (bilinen bu bağlamda pik demir kullanılarak) süs Forges . Tüm bu işlemler yakıt olarak odun kömürü gerektiriyordu .

MÖ 4. yüzyılda güney Hindistan, eski Çin, Afrika, Orta Doğu ve Avrupa'ya Wootz çeliği ( pik demir ve dövme demir arasında bir karbon içeriğine sahip) ihraç etmeye başlamıştı . Dökme demirin arkeolojik kanıtı MÖ 5. yüzyılda Çin'de ortaya çıkıyor. 17. yüzyılda , sementasyon işleminde demir çubukları karbürize ederek onu üretmenin yeni yöntemleri geliştirildi. Sanayi Devrimi sırasında, kömür yerine kok kullanarak yeni demir üretme yöntemleri ortaya çıktı ve bunlar daha sonra çelik üretmek için uygulandı ve bazı çağdaşların yeni bir "Demir Çağı" olarak tanımladığı demir ve çelik kullanımının büyük ölçüde arttığı yeni bir çağı başlattı. ". 1850'lerin sonlarında Henry Bessemer , karbonu yakmak için erimiş pik demirden hava üflemeyi ve böylece yumuşak çelik üretmeyi içeren yeni bir çelik üretim süreci icat etti . Bu ve diğer 19. yüzyıl ve sonraki çelik üretim süreçleri dövme demirin yerini aldı . Bugün, ferforje artık ticari ölçekte üretilmemektedir, yerini işlevsel olarak eşdeğer yumuşak veya düşük karbonlu çelik almıştır.

Dünyanın en büyük ve en modern yeraltı demir cevheri madeni , Lapland , Norrbotten County , Kiruna'da faaliyet gösteriyor . Büyük bir İsveç madencilik şirketi olan Luossavaara-Kiriunavaara AB'ye ait olan maden, yıllık 26 milyon tonun üzerinde demir cevheri üretim kapasitesine sahip .

meteoritik demir

Dünyanın altıncı en büyük göktaşı olan Willamette Göktaşı , bir demir-nikel göktaşıdır .
Demir meteoritler ezici bir çoğunlukla nikel-demir alaşımlarından oluşur. Bu meteorlardan alınan metal, meteoritik demir olarak bilinir ve insanlar için mevcut olan en eski kullanılabilir demir kaynaklarından biriydi.

Demir ekstrakte edildi demir-nikel alaşımları tüm 6 yaklaşık% içermektedir, sonbahar meteoritlerde ile Dünya . Bu kaynak , metal soğuk veya düşük sıcaklıkta işlendiğinde korunan bu malzemenin benzersiz kristal özellikleri ( Widmanstätten desenleri ) nedeniyle genellikle kesin olarak tanımlanabilir . Bu eserler, örneğin, İran'da bulunan MÖ 5. binyıldan bir boncuk ve MÖ 4000 civarında eski Mısır ve Sümer'den mızrak uçları ve süs eşyaları içerir .

Bu erken kullanımların büyük ölçüde törensel veya dekoratif olduğu görülmektedir. Meteoritik demir çok nadirdir ve metal muhtemelen çok pahalıydı, belki de altından daha pahalıydı . Erken Hititlerin , MÖ 2. binyılın ilk yüzyıllarında Eski Asur İmparatorluğu ile birlikte, demirin ağırlığının 40 katı oranında gümüş karşılığında demir (göktaşı veya eritilmiş) takas ettikleri bilinmektedir .

Meteorik demir, aynı zamanda , Grönland'ın Thule halkının , Cape York göktaşı parçalarından zıpkınlar , bıçaklar, ulus ve diğer kenarlı aletler yapmaya başladığı 1000 yıllarında, Kuzey Kutbu'nda aletler haline geldi . Tipik olarak bezelye büyüklüğündeki metal parçalar soğuk dövülerek disklere dönüştürülür ve bir kemik sapına takılırdı. Bu eserler aynı zamanda diğer Kuzey Kutbu halkları ile ticaret malları olarak da kullanıldı: Cape York göktaşından yapılmış aletler, 1.000 milden (1.600 km) uzaktaki arkeolojik alanlarda bulundu. Ne zaman Amerikan kutup kaşif Robert Peary için göktaşı daha büyük pay sevk Amerikan Doğal Tarih Müzesi'nin de New York'ta 1897 yılında, hala 33 üzerinde tartılan  ton . Meteoritik demirin geç kullanımına bir başka örnek, İsveç'te bulunan MS 1000 civarında bir keserdir .

yerli demir

Metalik haldeki doğal demir, bazı bazalt kayaçlarında nadiren küçük kapanımlar halinde bulunur . Göktaşı demirinin yanı sıra, Grönland'ın Thule halkı Disko bölgesinden doğal demir kullandı .

Demir eritme ve Demir Çağı

Demir ergitme ( oksitlenmiş demir cevherlerinden kullanılabilir metalin çıkarılması) kalay ve bakır ergitmesinden daha zordur . Bu metaller ve alaşımları soğuk işlenebilir veya nispeten basit fırınlarda ( çömlekçilik için kullanılan fırınlar gibi ) eritilebilir ve kalıplara dökülebilirken, ergitilmiş demir sıcak işlem gerektirir ve yalnızca özel olarak tasarlanmış fırınlarda eritilebilir. Demir, bakır cevherlerinde yaygın bir safsızlıktır ve demir cevheri bazen bir eritken olarak kullanılmıştır , bu nedenle insanların ergitilmiş demir teknolojisine ancak birkaç bin yıllık bronz metalurjisinden sonra hakim olmaları şaşırtıcı değildir .

Kısmen nikel içeren cevherlerden çıkarılan metali sıcak işlenmiş meteoritik demirden ayırmanın zorluğu nedeniyle, demir eritmenin keşfinin yeri ve zamanı bilinmemektedir. Arkeolojik kanıtlar, MÖ 3. binyılda Tunç Çağı boyunca Orta Doğu bölgesine işaret ediyor gibi görünüyor . Ancak, ferforje eserler MÖ 12. yüzyıla kadar nadir kaldı.

Demir Çağı geleneksel yaygın değiştirilmesi ile tanımlanır bronz demir ve çelik olanlarla silah ve araçlar. Bu geçiş, teknoloji yayıldıkça farklı yerlerde farklı zamanlarda gerçekleşti. Mezopotamya, MÖ 900'de tamamen Demir Çağı'na girdi. Mısır demir eserler üretse de, MÖ 663'te Asur tarafından fethedilene kadar bronz baskın kaldı. Demir Çağı Hindistan'da MÖ 1200, Orta Avrupa'da MÖ 800 ve Çin'de MÖ 300 civarında başladı. 500 civarında Nubians Asurlar'dan demirin kullanımını öğrenmiş ve Mısır'dan ihraç edildiler, büyük üreticiler ve demir ihracatçıları haline geldi.

Antik Yakın Doğu

Eski Orta Doğu'nun madencilik alanları . Kutu renkleri: arsenik kahverengi, bakır kırmızı, kalay gri, demir kırmızımsı kahverengi, altın sarı, gümüş beyaz ve kurşun siyahtır. Sarı alan arsenik bronzunu , gri alan ise kalay bronzunu temsil eder.

Anadolu'da bir Hatti mezarında bulunan , MÖ 2500'e tarihlenen en eski ergitilmiş demir eserlerden biri olan demir bıçaklı bir hançer . MÖ 1500 civarında, Mezopotamya , Anadolu ve Mısır'da artan sayıda meteorik olmayan, eritilmiş demir nesneler ortaya çıktı . MÖ 1323'te ölen Mısır hükümdarı Tutankhamun'un mezarında , altın kabzalı demir bir hançer , Horus'un Gözü , mumyanın başı ve on altı zanaatkar aleti modeli de dahil olmak üzere on dokuz meteorik demir nesne bulundu . Ugarit kazısında firavun Merneptah'ın adını taşıyan bir Eski Mısır kılıcı ile demir bıçaklı bir savaş baltası ve altın süslemeli bronz şaft bulunmuştur .

Doğu Akdeniz'de Tunç Çağı'ndan kalma demir nesneler bulunmasına rağmen, bu dönemde bronz işçiliğinin büyük ölçüde baskın olduğu görülmektedir. Teknoloji yayıldıkça demir, Doğu Akdeniz'de ( Levant , Kıbrıs , Yunanistan , Girit , Anadolu ve Mısır) alet ve silahlar için kullanılan baskın metal olarak bronzun yerini aldı .

Demir orijinal olarak eritildiği edildi bloomeries burada, fırınlar körük demir cevheri ve yanma bir yığın kuvvet hava kullanılmıştır kömür . Karbon monoksit kömür tarafından üretilen indirgenmiş demir oksidi metalik demire cevherinden. Bununla birlikte, çiçeklenme, demiri eritecek kadar sıcak değildi, bu nedenle metal, fırının dibinde süngerimsi bir kütle veya çiçek olarak toplandı . İşçiler daha sonra erimiş cürufu dışarı atmak için defalarca dövdü ve katladı . Bu zahmetli, zaman alıcı süreç , dövülebilir ancak oldukça yumuşak bir alaşım olan ferforje üretti .

Bronzdan demire geçişle eş zamanlı olarak, dövme demire karbon ekleme işlemi olan karbürizasyonun keşfi oldu . Demir patlaması bir miktar karbon içerirken, daha sonraki sıcak işlem, çoğunu oksitledi . Orta Doğu'daki Smithler, ferforjenin, bitmiş parçanın bir kömür yatağında ısıtılması ve ardından su veya yağda söndürülmesiyle çok daha sert bir ürüne dönüştürülebileceğini keşfetti . Bu prosedür, parçanın dış katmanlarını, iç çekirdeği daha az kırılgan demirden oluşan bir demir ve demir karbür alaşımı olan çeliğe dönüştürdü .

Demir eritmenin kökeni üzerine teoriler

Demir ergitmenin gelişimi geleneksel olarak Geç Tunç Çağı Anadolu Hititlerine atfedilmiştir . Demir işlemede tekellerini sürdürdüklerine ve imparatorluklarının bu avantaja dayandığına inanılıyordu. Bu teoriye göre , Geç Tunç Çağı'nın sonunda Doğu Akdeniz'i işgal eden ve Hitit imparatorluğunu yok eden eski Deniz Halkları , bilginin o bölgeye yayılmasından sorumluydu. Hitit tekeli iddiasına dair hiçbir arkeolojik kanıt bulunmadığından, bu teori artık bilimin ana akımında yer almamaktadır. Tunç Çağı Anadolu'suna ait bazı demir nesneler varken, sayı Mısır'da ve aynı zaman diliminde başka yerlerde bulunan demir nesnelerle karşılaştırılabilir ve bu nesnelerin yalnızca küçük bir kısmı silahtı.

Daha yeni bir teori, demir teknolojisinin gelişiminin , Geç Tunç Çağı'nın sonunda imparatorlukların çöküşü nedeniyle bakır ve kalay ticaret yollarının bozulmasından kaynaklandığını iddia ediyor . Bu metaller, özellikle kalay, yaygın olarak mevcut değildi ve metal işçileri onları uzun mesafelere taşımak zorunda kaldı, oysa demir cevherleri yaygın olarak mevcuttu. Bununla birlikte, bilinen hiçbir arkeolojik kanıt, Erken Demir Çağı'nda bronz veya kalay kıtlığına işaret etmemektedir. Bronz nesneler bol kaldı ve bu nesneler, Geç Tunç Çağı'ndakilerle aynı kalay yüzdesine sahip.

Hint Yarımadası

Hint alt kıtasındaki demirli metalurji tarihi MÖ 2. binyılda başladı. Ganj ovalarındaki arkeolojik alanlarda MÖ 1800 ile 1200 arasına tarihlenen demir aletler bulunmuştur. MÖ 13. yüzyılın başlarında, demir eritme Hindistan'da büyük ölçekte uygulandı. In Güney Hindistan (bugünkü Mysore ) demir 11. yüzyıllarda M.Ö. kullanımı 12. oldu. Demir metalurjisi teknolojisi, politik olarak istikrarlı Maurya döneminde ve MÖ 1. binyılda barışçıl yerleşimler döneminde ilerledi .

MÖ 600'den 200'e tarihlenen çiviler , bıçaklar , hançerler , ok uçları, kaseler , kaşıklar , tencereler , baltalar , keskiler , maşalar , kapı süsleri vb. gibi demir eserler Hindistan'ın çeşitli arkeolojik alanlarında keşfedilmiştir. Yunan tarihçi Herodot , Hindistan'da demir kullanımının ilk batılı hesabını yazdı . Hint mitolojik metinleri Upanişadlar da dokuma, çömlekçilik ve metalurjiden bahseder. Romalılar zamanında Hindistan'dan çeliğin mükemmellik için yüksek önem vermiştir Gupta İmparatorluğu .

Hançer ve kın, Hindistan, 17.-18. yüzyıl. Bıçak: Altın işlemeli Şam çeliği ; kabza: yeşim; kın: oyulmuş, kovalanmış ve yaldızlı süslemeli çelik

Muhtemelen MÖ 500 kadar erken bir tarihte, kesinlikle MS 200 yılına kadar, güney Hindistan'da pota tekniği ile yüksek kaliteli çelik üretildi . Bu sistemde yüksek saflıkta ferforje, odun kömürü ve cam bir potada karıştırıldı ve demir eriyene ve karbonu emene kadar ısıtıldı. Demir zincir, 4. yüzyılın başlarında Hint asma köprülerinde kullanıldı .

Wootz çeliği Hindistan ve Sri Lanka'da MÖ 300 civarında üretildi . Wootz çeliği, dayanıklılığı ve bir kenar tutma yeteneği ile Klasik Antik Çağ'dan ünlüdür . Kral Porus tarafından bir hediye seçmesi istendiğinde , İskender'in altın veya gümüş yerine otuz pound çelik seçtiği söylenir . Wootz çeliği başlangıçta çeşitli eser elementlerle birlikte ana bileşeni demir olan karmaşık bir alaşımdı . Son çalışmalar, niteliklerinin metalde karbon nanotüplerin oluşumundan kaynaklanabileceğini öne sürdü . Will Durant'a göre teknoloji Perslere , onlardan da Ortadoğu'ya yayan Araplara geçti . 16. yüzyılda Hollandalılar teknolojiyi Güney Hindistan'dan seri üretildiği Avrupa'ya taşıdı.

Çelik, Sri Lanka'da MÖ 300 yıllarında muson rüzgarlarının savurduğu fırınlarda üretildi . Fırınlar tepelerin tepelerine kazıldı ve rüzgar uzun hendeklerle havalandırma deliklerine yönlendirildi . Bu düzenleme, girişte bir yüksek basınç bölgesi ve fırının tepesinde bir alçak basınç bölgesi yarattı. Akışın, körükle çalışan fırınların üretebileceğinden daha yüksek sıcaklıklara izin verdiğine ve bunun da daha kaliteli demir sağladığına inanılıyor. Sri Lanka'da üretilen çelik, bölge içinde ve İslam dünyasında yoğun bir şekilde alınıp satıldı .

Dünyanın önde gelen metalürjik meraklarından biri , Delhi'deki Kutub kompleksinde bulunan bir demir sütundur . Direk dövme demirden yapılmıştır (%98 Fe ), neredeyse yedi metre yüksekliğindedir ve altı tondan fazla ağırlığa sahiptir. Sütun, Chandragupta II Vikramaditya tarafından dikildi ve 1.600 yıl şiddetli yağmurlara maruz kalmaya, nispeten az korozyonla dayandı .

Çin

Pik demirden ferforje yapmak için demir cevheri inceltme ; sağdaki resimde yüksek fırında çalışan erkekler görülüyor ( Tiangong Kaiwu ansiklopedisi, 1637)

Tarihçiler, çiçekçiliğe dayalı demirciliğin Orta Doğu'dan Çin'e yayılıp yayılmadığını tartışıyorlar. Bir teori, metalurjinin Orta Asya üzerinden tanıtıldığını öne sürüyor. 2008 yılında, iki demir parçaları ile kazıldı Mogou sitesinde yer, Gansu . Siwa kültürü dönemine ait olan ve bağımsız bir Çin kökenini düşündüren MÖ 14. yüzyıla tarihlendirilmişlerdir . Parçalardan biri göktaşı demirinden ziyade çiçekli demirden yapılmıştı.

Çin'deki çiçek fabrikalarından yapılan en eski demir eserler, MÖ 9. yüzyılın sonlarına tarihleniyor. Dökme demir, antik Çin'de savaş, tarım ve mimari için kullanıldı. MÖ 500 civarında, güney Wu eyaletindeki metal işçileri 1130 °C sıcaklığa ulaştı. Bu sıcaklıkta demir %4,3 karbonla birleşir ve erir. Sıvı demir edilebilir döküm içine kalıpları için bir yöntem daha az zahmetli tek bir çiçek demirin her parça dövme daha.

Dökme demir oldukça kırılgandır ve çarpma aletleri için uygun değildir. Bununla birlikte, birkaç gün boyunca havada ısıtılarak çeliğe veya dövme demire karbonsuzlaştırılabilir . Çin'de, bu demir işleme yöntemleri kuzeye doğru yayıldı ve MÖ 300'de demir, Çin genelinde çoğu alet ve silah için tercih edilen malzemeydi. Hebei eyaletindeki MÖ 3. yüzyılın başlarına tarihlenen bir toplu mezar , silahları ve diğer ekipmanlarıyla birlikte gömülü birkaç asker içeriyor. Bu mezardan çıkarılan eserler, çeşitli şekillerde dövme demir, dökme demir, dövülebilir dökme demir ve su verme ile sertleştirilmiş çelikten yapılmış olup, muhtemelen süs amaçlı birkaç bronz silah vardır.

Çin'deki Yuan Hanedanlığı döneminde, MS 1313'te Wang Zhen tarafından Nong Shu'dan su çarkları tarafından çalıştırılan fırın körüklerinin bir çizimi

Sırasında Han Hanedanlığı (202 BC-220 AD), hükümet (hanedanının ikinci yarısında yürürlükten özel girişimciliğin döndü) bir devlet tekeli olarak Demircilik kurulan ve büyük yüksek fırınlardan bir dizi inşa Henan , her yetenekli ili günde birkaç ton demir üretiyor. Bu zamana kadar Çinli metalürji uzmanları, erimiş pik demiri karbonunu kaybedene ve dövülebilene (dövülebilen) kadar açık havada karıştırarak nasıl incelteceklerini keşfettiler. (Modern Mandarin- Çince'de bu işleme şimdi kao , kelimenin tam anlamıyla tavada kızartma denir ; pik demir 'ham demir', dövme demir ise 'pişmiş demir' olarak bilinir.) M.Ö. ferforje ve dökme demirin birlikte eritilerek ara karbon içeriğine sahip bir alaşım, yani çelik elde edilebileceği. Efsaneye göre , ilk Han imparatoru Liu Bang'ın kılıcı bu şekilde yapılmıştır. Dönemin bazı metinleri, demircilik bağlamında "sert ve yumuşakın uyumlaştırılmasından" bahseder; ifade bu sürece atıfta bulunabilir. Antik Wan şehri ( Nanyang ), Han döneminden itibaren demir-çelik endüstrisinin önemli bir merkeziydi. Çinliler, orijinal çelik dövme yöntemlerinin yanı sıra, MS 5. yüzyılda Hindistan'dan Çin'e ithal edilen bir fikir olan Wootz çeliği yaratma üretim yöntemlerini de benimsemişlerdi. Han Hanedanlığı döneminde, yüksek fırının körüklerini çalıştırırken hidrolik gücü (yani bir su çarkı ) ilk uygulayanlar da Çinlilerdi . Bu Çinli mekanik mühendisi ve siyasetçi tarafından bir yenilik olarak, yıl 31 AD kaydedildi Du Shi , Vali Nanyang. Metalurjide körüklere su gücünü ilk uygulayan Du Shi olmasına rağmen, su gücüyle çalışmasının ilk çizilmiş ve basılı illüstrasyonu MS 1313'te Nong Shu adlı Yuan Hanedanlığı dönemi metninde ortaya çıktı .

11. yüzyılda, Song Çin'de iki teknik kullanılarak çelik üretiminin kanıtı vardır : düşük kaliteli, heterojen çelik üreten "berganesk" bir yöntem ve soğuk bir patlama altında tekrarlanan dövme yoluyla kısmi karbonsuzlaştırmayı kullanan modern Bessemer işleminin öncüsü . 11. yüzyılda, demir endüstrisinin kömür talebi nedeniyle Çin'de büyük miktarda ormansızlaşma yaşandı. Ancak bu zamana kadar, Çinliler, kömürün yerine bitümlü kok kullanmayı öğrenmişlerdi ve kaynaklardaki bu değişiklikle, Çin'deki birçok dönümlük birinci sınıf ahşap arazi kurtarıldı.

Demir Çağı Avrupa

Antik Çin ve Avrupa demir-çelik yapım süreçlerinin karşılaştırılması.
İsveç'in Gotland kentinde bulunan İsveç Demir Çağı'ndan kalma demirden yapılmış balta

Demir işçiliği, MÖ 10. yüzyılın sonlarında Yunanistan'a tanıtıldı . Orta Avrupa'daki Demir Çağı'nın en eski izleri , Hallstatt C kültüründen (MÖ 8. yy) eserlerdir . MÖ 7. ila 6. yüzyıllar boyunca, demir eserler seçkinler için ayrılmış lüks öğeler olarak kaldı. Bu, MÖ 500'den kısa bir süre sonra , demir metalurjisinin Kuzey Avrupa ve Britanya'da da yaygınlaştığı La Tène kültürünün yükselişiyle çarpıcı biçimde değişti . Orta ve Batı Avrupa'da demirciliğin yayılması Kelt genişlemesi ile ilişkilidir . MÖ 1. yüzyılda, Noric çeliği kalitesiyle ünlüydü ve Roma ordusu tarafından aranıyordu .

Roma İmparatorluğu'nun yıllık demir üretiminin 84.750 ton olduğu tahmin ediliyor .

Sahra-altı Afrika

Doğu ve Güney Afrika'da MS 1. binyılın başlarında Bantu genişlemesine karşılık gelen Demir Çağı bulguları

Bazı belirsizlikler olsa da, bazı arkeologlar demir metalurjisinin Sahra altı Afrika'da (muhtemelen Batı Afrika'da) bağımsız olarak geliştirildiğine inanıyorlar.

Doğu Nijer'deki Termit sakinleri, MÖ 1500 civarında demir eritti .

Bir bölgede Aïr dağlarında içinde Niger 2500 ve 1500 yılları arasında bağımsız bakır eritme işaretler de vardır. İşlem gelişmiş bir durumda değildi, bu da eritmenin yabancı olmadığını gösteriyordu. 1500 civarında olgunlaştı.

Demir eritme fırınları ve cüruf içeren arkeolojik alanlar , şu anda Igboland olan güneydoğu Nijerya'nın Nsukka bölgesindeki alanlarda da kazılmıştır : Lejja sahasında (Eze-Uzomaka 2009) M.Ö. arasında Opi (Holl 2009). Gbabiri bölgesi (Orta Afrika Cumhuriyeti'nde), bir indirgeme fırını ve demirci atölyesinden elde edilen demir metalurjisinin kanıtlarını verdi; en erken tarihleri ​​sırasıyla MÖ 896-773 ve MÖ 907-796 arasındadır. Benzer şekilde, çiçeklenme tipi fırınlarda eritme , merkezi Nijerya'nın Nok kültüründe MÖ 550 civarında ve muhtemelen birkaç yüzyıl önce ortaya çıktı.

Karbon çeliğinin Batı Tanzanya'da Haya halkının ataları tarafından 2.300-2.000 yıl önce (yaklaşık MÖ 300 veya kısa bir süre sonra) bir fırının içindeki sıcaklıklara izin veren karmaşık bir "ön ısıtma" işlemiyle yapıldığına dair kanıtlar da var. 1300 ila 1400 °C'ye ulaşmak için.

Demir ve bakır işçiliği kıta boyunca güneye doğru yayıldı ve MS 200 civarında Cape'e ulaştı . Demirin yaygın kullanımı, demiri benimseyen Bantu dili konuşan çiftçi topluluklarında devrim yarattı, genişledikçe karşılaştıkları avcı-toplayıcı toplumları kullanarak kaya aletini kovup emdiler. savananın daha geniş alanlarını yetiştirmek için . Teknolojik olarak üstün Bantu hoparlörleri, Güney Afrika'ya yayıldı ve zengin ve güçlü hale geldi, büyük, endüstriyel miktarlarda alet ve silahlar için demir üretti.

İçinde bloomery tipi fırınlarda en erken kayıtlar Doğu Afrika'da yer ergitilmiş demir ve karbon keşifler Nubia özellikle 7. ve 6. yüzyıllarda M.Ö. arasındaki tarih sırt, o Meroe orada bilinmektedir Nubians için metal aletler üretilen antik bloomeries olduğu ve Kushitler ve ekonomileri için artık ürettiler.

Ortaçağ İslam dünyası

Demir teknolojisi, İslam'ın Altın Çağı sırasında, ortaçağ İslam'ındaki çeşitli icatlarla daha da ilerletildi . Bunlar arasında , dişli değirmenler ve demir ocakları da dahil olmak üzere metal üretimi için çeşitli su ve rüzgar enerjisiyle çalışan endüstriyel değirmenler vardı . 11. yüzyıla gelindiğinde, batıda İslami İspanya ve Kuzey Afrika'dan doğuda Orta Doğu ve Orta Asya'ya kadar , Müslüman dünyadaki her eyalette bu sanayi fabrikaları faaliyetteydi . Ayrıca 10. yüzyılda dökme demir referansları ve 11. yüzyıldan itibaren Eyyubi ve Memluk imparatorluklarında kullanılan yüksek fırınların arkeolojik kanıtları vardır , bu da Çin metal teknolojisinin İslam dünyasına yayıldığını düşündürür.

Dişli değirmenler Müslüman mühendisler tarafından icat edildi ve çıkarmadan önce metalik cevherleri ezmek için kullanıldı. İslam dünyasındaki değirmenler genellikle hem su değirmenlerinden hem de yel değirmenlerinden yapılmıştır. Su çarklarını öğütme amaçlarına uyarlamak için, tetik çekiçlerini kaldırmak ve serbest bırakmak için kamlar kullanıldı . El emeği yerine hidroelektrikle çalışan bir su değirmeni tarafından çalıştırılan ilk demirhane , 12. yüzyılda İslami İspanya'da icat edildi.

Ortaçağ Yakın Doğu'da üretilen en ünlü çeliklerden biri, kılıç yapımında kullanılan Şam çeliğiydi ve çoğunlukla 900 ile 1750 yılları arasında Şam , Suriye'de üretildi. Bu, daha önceki Hint wootz'una dayanan pota çeliği yöntemi kullanılarak üretildi. çelik . Bu süreç, yerel olarak üretilen çelikler kullanılarak Orta Doğu'da benimsendi. Kesin süreç bilinmiyor, ancak karbürlerin bir bıçağın gövdesi içinde tabakalar veya bantlar halinde düzenlenmiş mikro parçacıklar olarak çökelmesine izin verdi . Karbürler, çevreleyen düşük karbonlu çelikten çok daha serttir, bu nedenle kılıç ustaları, sert malzemeleri çökeltilmiş karbürlerle kesen bir kenar üretebilirken, daha yumuşak çelik bantlar, kılıcın bir bütün olarak sert ve esnek kalmasını sağlar. En esaslı araştırmacı bir ekip Teknik Üniversitesi arasında Dresden kullandığı bu röntgenler ve elektron mikroskobu Şam çeliği incelemek varlığını keşfetti sementit nanotellerin ve karbon nanotüpler . Dresden ekibinin bir üyesi olan Peter Paufler, bu nano yapıların Şam çeliğine ayırt edici özelliklerini verdiğini ve dövme işleminin bir sonucu olduğunu söylüyor .

Ortaçağ ve Erken Modern Avrupa

Yüzyıllar boyunca Avrupa'da demir üretim teknolojisinde temel bir değişiklik olmadı. Avrupalı ​​metal işçileri, fabrikalarda demir üretmeye devam etti. Bununla birlikte, Ortaçağ dönemi iki gelişmeyi getirdi - çeşitli yerlerde çiçeklenme sürecinde su gücünün kullanılması (yukarıda özetlenmiştir) ve dökme demirde ilk Avrupa üretimi.

Elektrikli çiçeklikler

Ortaçağ döneminde, çiçek açma işlemine su gücü uygulandı. Bunun 1135 gibi erken bir tarihte Clairvaux'daki Cistercian Manastırı'nda olması mümkündür , ancak kesinlikle 13. yüzyılın başlarında Fransa ve İsveç'te kullanılıyordu. In İngiltere , bunun için ilk açık belgesel kanıt bir demirhanenin hesapları olan Durham Piskoposu yakın, Bedburn 1408 yılında, ama bu kesinlikle bu tür ilk demir madeni değildi. İngiltere'nin Furness bölgesinde, 18. yüzyılın başlarında ve Garstang yakınlarında yaklaşık 1770'e kadar elektrikli çiçek fabrikaları kullanılıyordu .

Catalan Forge, çeşitli motorlu çiçekçiydi. 19. yüzyılın ortalarında New York'ta sıcak patlamalı çiçeklikler kullanıldı .

Yüksek fırın

1894'te yayınlanan " The Popular Encyclopedia " vol.VII'de açıklanan demir yapımı

1783-84 yıllarında su birikintisi sürecinin gelişmesine kadar Avrupa'da tercih edilen demir üretim yöntemi . Dökme demirin gelişimi Avrupa'da gecikti çünkü dövme demir istenen üründü ve dökme demir üretmenin ara adımı pahalı bir yüksek fırını ve daha sonra pik demirin dökme demire rafine edilmesini içeriyordu, bu da daha sonra emek ve sermaye yoğun bir dönüşüm gerektiriyordu.

Orta Çağ'ın büyük bir bölümünde, Batı Avrupa'da, demir çiçeklerinin ferforje haline getirilmesiyle hala demir yapılıyordu. Avrupa'da demir erken döküm bazıları iki site içinde, İsveç'te meydana Lapphyttan Bazı alimler uygulama izledi spekülasyonlar var 1150 ve 1350 arasında ve Vinarhyttan Moğolları karşısında Rusya bu sitelere, ancak bu varsayımın net kanıt bulunmamakla ve bu demir üretim merkezlerinin çoğunun Moğol öncesi tarihlemelerini kesinlikle açıklamayacaktır. Her halükarda, 14. yüzyılın sonlarında, dökme demir gülleler için gelişen bir talep olarak, dökme demir mallar için bir pazar oluşmaya başladı.

şık demirhane

Alternatif bir yöntem karbondan arındırma pik demir oldu kuşam Forge etrafında bölgede icat edilmiş gibi görünüyor, Namur 15. yüzyılda. O yüzyılın sonunda, bu Valon süreci Normandiya'nın doğu sınırındaki Pay de Bray'e ve ardından 1600'de dövme demir yapımında ana yöntem haline geldiği İngiltere'ye yayıldı . İsveç'e Louis de Geer tarafından tanıtıldı. 17. yüzyılın başlarında ve İngiliz çelik üreticileri tarafından tercih edilen cevherleri demir yapmak için kullanıldı .

Bunun bir varyasyonu Alman demirhanesiydi . Bu , İsveç'te çubuk demir üretmenin ana yöntemi haline geldi .

simantasyon süreci

17. yüzyılın başlarında ise, içinde Ironworkers Batı Avrupa geliştirdiği sementasyon işlemi için karbonlama ferforje . Dövme demir çubuklar ve kömür, taş kutulara dolduruldu, daha sonra bir haftaya kadar neredeyse saf karbona (kömür) batırılmış oksijensiz bir durumda sürekli olarak kırmızı bir ısıda tutulacak kil ile kapatıldı. Bu süre zarfında, karbon, demirin yüzey katmanlarına yayılarak , çimento çeliği veya kabarcıklı çelik üretti - ayrıca sertleştirilmiş olarak da bilinir, burada demirle sarılmış kısımların (kazma veya balta bıçağı), örneğin bir balta çekiç kafasından daha sert hale geldiği veya onları karbon kaynağından uzak tutmak için kil ile yalıtılabilen şaft soketi. Bu işlemin İngiltere'de kullanıldığı en eski yer , Sir Basil Brooke'un iki sementasyon fırınına sahip olduğu (son zamanlarda 2001-2005'te kazılmıştır) 1619'dan itibaren Coalbrookdale'deydi . 1610'larda bir süre, süreç üzerinde bir patente sahipti, ancak bunu 1619'da teslim etmek zorunda kaldı. Muhtemelen Forest of Dean demirini hammadde olarak kullandı, ancak kısa süre sonra cevher demirinin daha uygun olduğu bulundu. Çeliğin kalitesi, sözde kesme çeliği üretilerek şişirilerek iyileştirilebilir .

pota çeliği

1740'larda Benjamin Huntsman , potalarda sementasyon işlemiyle yapılan kabarcıklı çeliği eritmenin bir yolunu buldu. Genellikle külçelere dökülen elde edilen pota çeliği , kabarcıklı çelikten daha homojendi.

İngiltere'de koka geçiş

Başlangıçlar

Erken demir eritme işleminde hem ısı kaynağı hem de indirgeyici madde olarak kömür kullanılmıştır. 18. yüzyıla gelindiğinde, kömür yapmak için ahşabın mevcudiyeti demir üretiminin genişlemesini sınırlandırıyordu, bu nedenle İngiltere, endüstrisinin ihtiyaç duyduğu demirin önemli bir kısmı için İsveç'e (17. yüzyılın ortalarından itibaren) ve daha sonra giderek daha fazla bağımlı hale geldi. yaklaşık 1725'ten itibaren de Rusya'da. Kömür (veya onun türevi kok ) ile eritme uzun süredir aranan bir hedefti. Kok ile pik demir üretimi muhtemelen Dud Dudley tarafından 1619 civarında ve yine 1670'lerde kömür ve odundan yapılan karışık bir yakıtla gerçekleştirilmiştir. Ancak bu muhtemelen ticari bir başarıdan çok teknolojik bir başarıydı. Shadrach Fox , 1690'larda Shropshire'daki Coalbrookdale'de demiri kokla eritmiş olabilir , ancak yalnızca gülle ve mermi gibi diğer dökme demir ürünleri yapmak için. Ancak Dokuz Yıl Savaşları'ndan sonraki barışta bunlara talep yoktu.

Abraham Darby ve halefleri

1707'de Abraham Darby , dökme demir tencere yapma yönteminin patentini aldım . Onun kapları rakiplerininkinden daha inceydi ve dolayısıyla daha ucuzdu. Daha büyük bir pik demir kaynağına ihtiyaç duyduğu için 1709'da Coalbrookdale'deki yüksek fırını kiraladı. Orada, kok kullanarak demir yaptı ve böylece Avrupa'da bunu yapan ilk başarılı işi kurdu. Hemen ardından gelenler (küçük bir ticari başarı ile) bunu demir çubukla cezalandırmaya çalışsalar da, ürünlerinin tamamı dökme demirdendi.

Böylece çubuk demir , 1750'lerin ortalarına kadar normal olarak kömür pik demiri ile yapılmaya devam etti. 1755'te Abraham Darby II (ortakları ile birlikte) Shropshire'daki Horsehay'da yeni bir kok kullanan fırın açtı ve bunu diğerleri izledi. Bunlar, çubuk demir üretimi için geleneksel türdeki dövme demirhanelerine kok pik demir tedarik ediyorlardı . Gecikmenin nedeni tartışmalıdır.

Yeni dövme süreçleri

Bir su birikintisi fırınının şematik çizimi

Ancak bundan sonra, pik demiri çubuk demire dönüştürmek için ekonomik olarak uygun araçlar tasarlanmaya başlandı. Çömlekçilik ve damgalama olarak bilinen bir süreç 1760'larda tasarlandı ve 1770'lerde geliştirildi ve yaklaşık 1785'ten itibaren Batı Midlands'da geniş çapta benimsenmiş görünüyor. Bununla birlikte, bunun yerini büyük ölçüde Henry Cort'un 1784'te patenti alınan su birikintisi süreci aldı. , ancak muhtemelen sadece yaklaşık 1790'da gri pik demir ile çalışmak üzere yapılmıştır. Bu işlemler, demir endüstrisi için Sanayi Devrimi'ni oluşturan demir üretimindeki büyük genişlemeye izin verdi.

19. yüzyılın başlarında, Hall su birikintisi fırının şarj demir oksidin ilave pik demir edildiği şiddetli bir reaksiyona neden olduğunu keşfettiler dekarbürüzasyon Bu 'ıslak balçık haline gelme' olarak tanındı. Karbonsuzlaştırma tamamlanmadan önce birikinti sürecini durdurarak çelik üretmenin de mümkün olduğu bulundu .

sıcak patlama

Yüksek fırının verimliliği, 1828'de İskoçya'da James Beaumont Neilson tarafından patenti alınan sıcak hava akımına geçişle iyileştirildi . Bu, üretim maliyetlerini daha da düşürdü. Birkaç on yıl içinde, uygulama, fırından çıkan atık gazın (CO içeren) yönlendirildiği ve yakıldığı fırın kadar büyük bir 'soba'ya sahip olmaktı. Elde edilen ısı, fırına üflenen havayı önceden ısıtmak için kullanıldı.

Endüstriyel çelik üretimi

Bessemer dönüştürücünün şematik çizimi

Bazı birikintili çelik üretiminin yanı sıra, İngiliz çeliği sementasyon işlemiyle yapılmaya devam edildi, bazen pota çeliği üretmek için yeniden eritildi. Bunlar, hammaddesi çubuk demir, özellikle İsveç cevheri demiri olan parti bazlı işlemlerdi.

Ucuz çeliğin seri üretimi sorunu 1855'te Henry Bessemer tarafından İngiltere'nin Sheffield kentindeki çelik fabrikasında Bessemer dönüştürücünün tanıtılmasıyla çözüldü . (Şehrin Kelham Adası Müzesi'nde hala erken bir dönüştürücü görülebilir ). Bessemer işleminde, yüksek fırından gelen erimiş pik demir büyük bir potaya yüklendi ve daha sonra erimiş demirin içinden aşağıdan hava üflenerek koktaki çözünmüş karbonu ateşledi. Karbon yandıkça karışımın erime noktası arttı, ancak yanan karbondan gelen ısı, karışımı erimiş halde tutmak için gereken ekstra enerjiyi sağladı. Eriyikteki karbon içeriği istenen seviyeye düştükten sonra, hava akımı kesildi: tipik bir Bessemer dönüştürücü, 25 tonluk bir pik demiri yarım saat içinde çeliğe dönüştürebiliyordu.

Son olarak, temel oksijen prosesi 1952'de Voest-Alpine fabrikalarında tanıtıldı; Temel Bessemer işleminin bir modifikasyonu, oksijeni çeliğin üstünden (alttan köpüren hava yerine) üfleyerek çeliğin içine alınan nitrojen miktarını azaltır. Temel oksijen işlemi tüm modern çelik fabrikalarında kullanılır; ABD'deki son Bessemer konvertörü 1968'de emekli oldu. Ayrıca, son otuz yılda hurda çeliğin yalnızca bir elektrik ark ocağıyla eritildiği mini fabrika işinde büyük bir artış görüldü . Bu fabrikalar ilk başta sadece çubuk ürünleri üretiyordu, ancak o zamandan beri entegre çelik fabrikalarının özel alanı olan yassı ve ağır ürünlere doğru genişledi.

19. yüzyıldaki bu gelişmelere kadar, çelik pahalı bir maldı ve aletlerin ve yayların kesici kenarlarında olduğu gibi, özellikle sert veya esnek bir metalin gerekli olduğu sınırlı sayıda amaç için kullanıldı. Ucuz çeliğin yaygın olarak bulunması, İkinci Sanayi Devrimi'ne ve bildiğimiz modern topluma güç verdi. Sonunda, neredeyse tüm amaçlar için dövme demirin yerini yumuşak çelik aldı ve dövme demir artık ticari olarak üretilmiyor. Küçük istisnalar dışında, alaşımlı çelikler ancak 19. yüzyılın sonlarında yapılmaya başlandı. Paslanmaz çelik , Birinci Dünya Savaşı arifesinde geliştirildi ve 1920'lere kadar yaygın olarak kullanılmadı.

Modern çelik endüstrisi

2007 yılında ülkelere göre çelik üretimi (milyon ton olarak)

Çelik endüstrisi, çeliğin altyapı ve genel ekonomik kalkınmada oynadığı kritik rol nedeniyle genellikle ekonomik ilerlemenin bir göstergesi olarak kabul edilir . 1980'de 500.000'den fazla ABD'li çelik işçisi vardı. 2000 yılına gelindiğinde, çelik işçilerinin sayısı 224.000'e düşmüştü.

Ekonomik patlama Çin ve Hindistan'da çelik talebindeki büyük bir artışa neden olmuştur. 2000 ve 2005 yılları arasında dünya çelik talebi %6 arttı. 2000 yılından bu yana, Tata Steel ( 2007'de Corus Group'u satın alan), Baosteel Group ve Shagang Group gibi birkaç Hintli ve Çinli çelik firması öne çıktı . Ancak 2017 itibariyle ArcelorMittal dünyanın en büyük çelik üreticisidir . 2005 yılında, British Geological Survey , Çin'in dünya payının yaklaşık üçte biri ile en büyük çelik üreticisi olduğunu belirtti; Bunu sırasıyla Japonya, Rusya ve ABD izledi. Çeliğin büyük üretim kapasitesi, aynı zamanda, ana üretim rotasıyla ilgili olarak önemli miktarda karbon dioksit emisyonuna neden olur. 2019 yılında, küresel karbondioksit emisyonlarının %7 ila 9'unun çelik endüstrisinden kaynaklandığı tahmin ediliyordu. Bu emisyonların azaltılmasının, kok kullanan ana üretim rotasındaki bir değişiklikten, çeliğin daha fazla geri dönüştürülmesinden ve karbon yakalama ve depolama veya karbon yakalama ve kullanma teknolojisi uygulamasından gelmesi bekleniyor.

2008 yılında çelik , Londra Metal Borsası'nda bir emtia olarak işlem görmeye başladı . 2008'in sonunda, çelik endüstrisi birçok kesintiye yol açan keskin bir gerilemeyle karşı karşıya kaldı.

Çelik üretimi için karbon emisyonsuz süreçler

Ayrıca bakınız

Notlar

daha fazla okuma

  • Ebrey, Walthall, Palais, (2006). Doğu Asya: Kültürel, Sosyal ve Siyasi Bir Tarih . Boston: Houghton Mifflin Şirketi.
  • Knowles, Anne Kelly. (2013) Demirde Ustalaşmak: Bir Amerikan Endüstrisini Modernize Etme Mücadelesi, 1800–1868 (University of Chicago Press) 334 sayfa
  • Needham, Joseph (1986). Çin'de Bilim ve Medeniyet: Cilt 4, Kısım 2 ; Needham, Joseph (1986). Çin'de Bilim ve Medeniyet: Cilt 4, Kısım 3 .
  • Pleiner, R. (2000) Arkeolojide Demir. European Bloomery Smelters , Praha, Archeologický Ústav Av Cr.
  • Pounds, Norman JG “Fransa Demir ve Çelik Endüstrisinin Tarihsel Coğrafyası.” Annals of the Association of American Coğrafyacılar 47#1 (1957), s. 3–14. internet üzerinden
  • Wagner, Donald (1996). Antik Çin'de Demir ve Çelik . Leiden: EJ Brill.
  • Woods, Michael ve Mary B. Woods (2000). Michael Woods Runestone Press tarafından Antik Yapı (Antik Teknoloji)
  • Lam, Wengcheong (2014) Eski Her Şey Yeniden Yeni mi? Hong Kong Çin Üniversitesi, Orta Çin Ovalarında Dökme Demir Üretimine Geçişi Yeniden Düşünüyor

Dış bağlantılar